四車道高速公路部分占用超車道交通控制區(qū)交通特性及通行能力研究

孟祥海，張龍釗，李生龍

(1.哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院，哈爾濱150090；2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京100088)

0 引言

高速公路的四改八車道為緩解交通壓力提供了新思路，施工期的高速公路面臨一邊通車一邊施工的復雜狀況，各保通階段交通服務水平的維護、工期保證等問題凸顯，國內(nèi)在高速公路養(yǎng)護作業(yè)時通常借鑒《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》(簡稱規(guī)程)，《規(guī)程》中針對四車道高速公路養(yǎng)護作業(yè)控制區(qū)布置類型只包含3類，然而新的施工作業(yè)區(qū)類型不斷出現(xiàn)，缺乏針對性的規(guī)范成為急需解決的問題，需要對新型施工作業(yè)區(qū)開展研究.

國內(nèi)外學者針對施工作業(yè)區(qū)的通行能力、換道特性、交通組織與管理等進行了研究并取得了具有一定參考價值的成果.在施工作業(yè)區(qū)通行能力方面，Al-Kaisy A.等[1]研究了交通量、車道變換行為、大貨車占比、速度等因素對通行能力的影響，提出高速公路施工區(qū)通行能力模型.Chaoru Lu等[2]基于Logistic模型采用修正的5個交通參數(shù)描述了施工區(qū)速度—密度關(guān)系，提出動態(tài)的通行能力預測方法.Du等[3]提出一種基于非線性交通流模型和離散時間滑?？刂频母咚俟饭ぷ鲄^(qū)可變限速控制理論來提高工作區(qū)通行能力.Wang等[4]利用雙層規(guī)劃模型對可變限速標志的布設地點做了進一步研究.車道變換研究方面，Guo Mingmin等[5]研究了變道率、車頭時距、目標車道的選擇等，總結(jié)了相應具有借鑒意義的結(jié)論.Weng等[6]利用施工作業(yè)區(qū)車輛換道軌跡數(shù)據(jù)建立的時變邏輯回歸模型對車輛換道行為進行預測并取得了較好的預測效果.

孟祥海等[7]提出基于格林希爾治速度—流量模型的通行能力確定方法和基于運行速度及道路交通條件修正的通行能力確定方法.王忠宇等[8]提出根據(jù)車輛運行軌跡線與車道線之間的幾何關(guān)系確定車輛換道起始點、結(jié)束點的方法，描述分車道的車輛換道長度與換道起始點的關(guān)系；裴玉龍等[9]引入樣條曲線，建立曲率連續(xù)的期望運行軌跡模型；吳江玲[10]通過改進的LMRS模型，建立適用于分析養(yǎng)護作業(yè)區(qū)車輛換道行為的換道模型.

對高速公路施工區(qū)交通特性及通行能力的研究較多，但針對高速公路部分占用超車道交通控制區(qū)的研究較少，本文深入分析了四車道高速公路部分占用超車道交通控制區(qū)各區(qū)段車輛換道特性、分車道分車型的速度分布情況及通行能力等，并給出施工作業(yè)交通控制區(qū)布置建議，對提升道路利用率、保障交通運行安全具有重要意義.

1 施工作業(yè)交通控制區(qū)布置及交通運行條件分析

四車道高速公路部分占用超車道左側(cè)的施工作業(yè)交通控制區(qū)，如圖1所示，與《規(guī)程》中規(guī)定的四車道高速公路封閉內(nèi)側(cè)車道的施工作業(yè)交通控制區(qū)存在明顯的區(qū)別.①本文研究的交通控制區(qū)在施工作業(yè)區(qū)段尚能維持兩條車道通行，只是超車道左側(cè)側(cè)向凈空受限(因距施工作業(yè)面較近，取消了左側(cè)路緣帶)，車道寬度有所減少，只滿足3.5 m的車道寬度要求；《規(guī)程》中則是一個標準的單車道斷面.②交通控制方式有較大不同，本文研究的施工作業(yè)交通控制區(qū)中，警告區(qū)內(nèi)設置的是“左側(cè)道路變窄”標志，沒有明確規(guī)定要變道至行車道上；《規(guī)程》中則設置“向右變道標志”，即給出明確的變道要求及變道地點要求.圖1中：S為警告區(qū)長度；LS為上游過渡區(qū)長度；H為縱向緩沖區(qū)長度；G為施工區(qū)長度；LX為下游過渡區(qū)長度；Z為終止區(qū)長度.

從交通條件上看，本研究中交通控制區(qū)的瓶頸效應并不如《規(guī)程》中所規(guī)定的那樣明顯，但變窄、左側(cè)側(cè)向凈空受限的超車道利用率如何？超車道上的車輛是否會大量變道至行車道上？施工作業(yè)區(qū)段左側(cè)受限的雙車道道路通行能力有多大？整個交通控制區(qū)的車速變化特征是什么？這些問題的解決，對今后優(yōu)化設置該類交通控制區(qū)具有借鑒和指導意義.

2 交通調(diào)查與交通流數(shù)據(jù)采集

依托京滬高速公路新泰至臨沂段改擴建工程，對部分占用左側(cè)超車道的施工作業(yè)區(qū)實施交通調(diào)查，該作業(yè)區(qū)位于京滬高速公路K656～K658處，利用無人機錄制2019年8月13日該施工作業(yè)區(qū)的交通實況，視頻時長累計9 h.將施工作業(yè)控制區(qū)每30 m標記為一個斷面，即檢測斷面.利用視頻處理軟件Premiere Pro CC 2017提取每一輛車在各個檢測斷面處的事件數(shù)據(jù)，包括車輛通過兩檢測斷面的視頻幀數(shù)、所處車道等原始信息.基于原始事件數(shù)據(jù)，經(jīng)斷面間車速計算(斷面間距除以視頻幀數(shù)的換算時間)及統(tǒng)計分析，即可得到分車型的交通量、斷面間車速及車輛變道位置等交通運行參數(shù).施工作業(yè)交通控制區(qū)檢測斷面的設置如圖2所示.

圖1 四車道高速公路部分占用超車道交通控制區(qū)Fig.1 Overtaking lane partly occupied traffic control zone of four-lane expressway

圖2 施工作業(yè)交通控制區(qū)檢測斷面設置Fig.2 Inspection section setting of construction traffic control zone

3 交通量的車道分布及車輛換道特性

如圖2所示，在四車道高速公路部分占用超車道左側(cè)的施工作業(yè)交通控制區(qū)中，瓶頸路段(施工作業(yè)區(qū)段)也能保持兩車道通行，但每條車道的利用率及換道特性等問題值得研究，涉及到車道劃分、車道寬度設置及交通控制方式選擇等相關(guān)技術(shù)問題.

由警告區(qū)至上游過渡區(qū)直至終止區(qū)等6個區(qū)段構(gòu)成完整的施工作業(yè)交通控制區(qū)，其行車道和超車道的交通流量分布及變化情況如圖3所示，換道比例如圖4所示.

由圖3和圖4可知：從警告區(qū)起至終點前150 m處的警告區(qū)，絕大部分路段上行車道和超車道上的交通量幾乎相等，各占約50%，此時，行車道和超車道的車道寬度是相等的，與正常路段一致；從警告區(qū)前150 m至施工區(qū)前30 m，由于駕駛員發(fā)現(xiàn)(包括“左側(cè)變窄”交通標志的指引作用)超車道左側(cè)凈空將受到限制且車道寬度變窄，大量車輛由超車道變道至行車道上，累計變道的車輛比例約36.90%(圖4)，因此，該區(qū)段(包括上游過渡區(qū)段全部，警告區(qū)終止區(qū)局部路段，以及上游緩沖區(qū)起始區(qū)局部路段)成為一個主要變道區(qū).

在施工作業(yè)區(qū)的全部路段，以及上游緩沖區(qū)終止區(qū)局部路段上，約90%的車輛行駛在行車道上，10%的車輛行駛在超車道上，超車道的利用率較低.行車道上的車輛駛出施工區(qū)后，又開始換道至超車道，此時主要變道區(qū)為下游過渡區(qū)末端和終止區(qū).車輛駛出終止區(qū)后仍有少部分變道行為出現(xiàn)，變道方向仍是由超車道變道至行車道.

圖3 車道流量分布Fig.3 Lane flow distribution

圖4 換道位置分布Fig.4 Location distribution of lane changing

4 車速分布特性

施工作業(yè)交通控制區(qū)的上游正常路段、警告區(qū)路段、上游過渡區(qū)段等的設計速度、限速值、實測平均車速、實測運行速度等指標如表1，圖5和圖6所示.

表 1 交通控制區(qū)各區(qū)段的車速Table 1 Speed of each section in traffic control zone (km/h)

圖5 超車道和行車道上的車速平均值Fig.5 Average speed of overtaking lane and carriageway

圖6 各區(qū)段速度的正態(tài)分布圖Fig.6 Normal distribution of speed in each section

分析車速分布特性可知：①在較低交通量水平下，整個交通控制區(qū)的平均車速、運行速度等均較高，上游過渡區(qū)、上游緩沖區(qū)、施工作業(yè)區(qū)段上的運行速度高于限速值達30 km/h以上，這表明此時設置的限速值過低或駕駛員群體有明顯的超速行為；②由上游正常路段至警告區(qū)再至上游過渡區(qū)直至施工作業(yè)區(qū)段，車速均逐漸降低(但幅度不是很大)，在施工作業(yè)區(qū)段達到了最低值，這與施工作業(yè)交通控制區(qū)的道路條件及交通控制條件總體上是一致的；③各區(qū)段的車速均呈典型的正態(tài)分布且車速離散程度均較小(圖6)，車速差較小或車速集中，有利于道路交通安全.

針對施工作業(yè)交通控制區(qū)的車速分布特性，本文給出以下兩點建議：

(1)根據(jù)運行速度調(diào)整交通控制區(qū)主要區(qū)段上的限速標準，比如，將運行速度下浮5～10 km/h作為限速值，本交通控制區(qū)警告區(qū)后半段的限速值可取90 km/h，上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、作業(yè)區(qū)的限速值可取80 km/h，這樣可有效提高交通控制區(qū)的通行效率，減少交通延誤.

(2)對于邊通車邊施工的高速公路改擴建項目，若仍對社會車輛收取通行費用(不降價)，則限速60 km/h有些偏低；另外，駕駛員行車及交通執(zhí)法均會面臨一定的困難，一方面高速公路的最低限速值一般為60 km/h，而此時又規(guī)定最高限速值為60 km/h，駕駛員及交通執(zhí)法者難于操作該交通控制條件.

5 道路通行能力研究

施工作業(yè)區(qū)段是一個典型的瓶頸路段，警告區(qū)、過渡區(qū)、緩沖區(qū)等交通控制區(qū)的設置，就是圍繞如何安全、有序、快速地通過瓶頸區(qū)而采取的交通組織與控制方式.

基于Greenshields原理，對上游正常路段、警告區(qū)路段、施工作業(yè)區(qū)段標定了速度—流量關(guān)系模型.

上游正常路段為

警告區(qū)路段為

施工作業(yè)區(qū)為

式中：Q為小時流量(pcu/(h?ln))；U為速度(km/h)；R為相關(guān)系數(shù).

速度—流量關(guān)系曲線及速度與流量的樣本點如圖7所示.依據(jù)速度與流量關(guān)系模型，確定上述3個區(qū)段的自由流速度、阻塞密度及道路通行能力，如表2所示.

圖7 各主要區(qū)段速度—流量關(guān)系Fig.7 Speed-flow relationship of each section

表 2 交通控制區(qū)的道路通行能力Table 2 Capacity of traffic control zone

分析各主要區(qū)段的道路通行能力可知：

(1)從正常路段至警告區(qū)再至施工作業(yè)區(qū)段，道路通行能力逐漸降低，降低值分別為27 pcu/(h·ln)和148 pcu/(h·ln)，相對前一個區(qū)段通行能力分別下降1.57%和8.73%，即由警告區(qū)末端至施工作業(yè)區(qū)段道路通行能力下降較大.

(2)施工作業(yè)區(qū)段的道路通行能力為1547pcu/(h·ln)，斷面最大的小時交通量為3094pcu，因此，當達到小時交通量超過3 094 pcu時，應在施工作業(yè)交通控制區(qū)的上游分流點進行必要的交通分流.另外，當預測高峰小時交通量超過該值，在確定改擴建工程施工期的交通組織方案時，應進行系統(tǒng)的分流組織設計.

依據(jù)施工作業(yè)交通控制區(qū)的道路通行能力大小，給出建議：應根據(jù)控制區(qū)中交通瓶頸路段(多為施工作業(yè)區(qū)段)的斷面通行能力大小，合理確定強制分流時的交通量上限值，這是確定路網(wǎng)分流方案及分流車型選擇的重要依據(jù).

6 施工作業(yè)交通控制區(qū)優(yōu)化設置建議

針對四車道高速公路部分占用超車道左側(cè)的施工作業(yè)交通控制區(qū)，依據(jù)其交通量的車道分布特性及車輛換道特性，給出以下兩點建議：

(1)通過交通分流后，若實測或預測高峰小時交通量尚未超過單車道通行能力時，考慮將施工作業(yè)區(qū)段的雙車道改為單車道，從而增加車道的側(cè)向余寬(重點是遠離施工作業(yè)面)，通過在警告區(qū)內(nèi)設置變道標志后(使車輛有序地在規(guī)定地段變道)，其安全效果和通行效率也有可能要高于目前的雙車道設置方式.

(2)當實測或預測高峰小時交通量較大時，施工作業(yè)區(qū)段采用雙車道是必然的.為提高超車道的利用率，宜將行車道和超車道整合后重新劃分車道，使行車道和超車道的通行條件大體相當.交通控制方式也應相應調(diào)整，例如，將原來的“左側(cè)單路變窄”標志調(diào)整為“雙側(cè)道路變窄”標志等.

7 結(jié)論

交通量處于較低水平時，超車道變窄且左側(cè)凈空受限使超車道的利用率較低，只有正常水平的20%左右，造成大量未預期變道行為，此時，應對車道劃分、車道設置及交通控制方式等進行優(yōu)化調(diào)整；交通控制區(qū)各主要區(qū)段上的車速均呈離散程度較小的正態(tài)分布，車速差變小有利于交通安全，但在較低交通量水平下，交通控制區(qū)的平均車速、運行速度等均較高，較高的實際運行速度與較低限速標準(為確保安全而選擇了限速值)間的矛盾突出，因此，建議使用運行速度作為限速值的取值依據(jù)；交通控制區(qū)中施工作業(yè)區(qū)段的道路通行能力最低，只有正常路段的89%左右，因此，在保障交通安全的前提下應著力提高瓶頸路段的道路通行能力，并將瓶頸路段的斷面通行能力作為是否進行強制分流的依據(jù).